Sembra fantascienza, eppure i metamateriali dell’Università di Amsterdam stanno riscrivendo le regole di ciò che un oggetto può fare. Un gruppo di ricercatori dell’Istituto di Fisica dell’ateneo olandese ha pubblicato su Nature uno studio intitolato “Metamateriali che imparano a cambiare forma”, e quello che descrive è qualcosa che sfuma in modo sorprendente il confine tra oggetti inanimati e sistemi viventi.
I metamateriali, per chi non li conoscesse, sono materiali ingegnerizzati le cui proprietà vengono modificate attraverso variazioni nella composizione o nella struttura, combinando fisica, chimica e ingegneria. Si possono ottenere risultati incredibili. Da blindature leggerissime ma più resistenti di una lastra d’acciaio spessa diversi centimetri, fino a strutture che cambiano forma in modo autonomo. Ed è esattamente quest’ultima frontiera quella esplorata dal team di Amsterdam, che ha realizzato dei metamateriali a forma di verme, capaci di apprendere, memorizzare e persino muoversi.
Ogni segmento di questi metamateriali è collegato al successivo tramite una cerniera motorizzata dotata di un microcontrollore. Questo piccolo cervello elettronico misura parametri come la rotazione, conserva una sorta di memoria dei movimenti precedenti e può trasmettere informazioni alle cerniere vicine. Le altre, a quel punto, regolano la propria rigidità e posizione. Il risultato è che ogni segmento “impara” nuove forme senza bisogno di un computer centrale a governare tutto.
Come funziona l’addestramento dei metamateriali
Le forme che questi metamateriali assumono non sono casuali. Sono il frutto di un processo di addestramento guidato dai ricercatori, che inviano impulsi per organizzare i segmenti nella configurazione desiderata. Attraverso diverse fasi, i microcontrollori aggiornano e ottimizzano le proprie istruzioni fino a quando la catena “capisce” quale postura adottare in risposta a un determinato stimolo.
La cosa affascinante è che questi metamateriali possono dimenticare forme vecchie, trattenere quelle recenti e alternare tra diverse configurazioni. Possono persino sviluppare la capacità di afferrare oggetti o di spostarsi. Gli stessi ricercatori parlano di “evoluzione”, sottolineando che “una volta che il sistema comincia ad apprendere, le possibilità su quando smetterà di farlo sembrano quasi illimitate”.
Questo lavoro non nasce dal nulla. Il team dell’Istituto di Fisica spiega che la ricerca attuale si basa su risultati precedenti in cui erano già riusciti a far rotolare, strisciare e muovere oggetti in modo autonomo su diversi terreni. La differenza fondamentale è che quei prototipi lo facevano in modo meccanico. Invece, i nuovi metamateriali possono apprendere e memorizzare comportamenti.
Dal laboratorio al mondo reale: le applicazioni possibili
L’obiettivo futuro è fare in modo che il comportamento dipenda dal tempo di apprendimento anziché da cambiamenti in una forma statica. Il gruppo di ricerca punta, ad esempio, a “permettere che i metamateriali imparino diversi tipi di locomozione, come strisciare o rotolare, a seconda degli stimoli ambientali”. C’è anche l’intenzione di esplorare i cosiddetti scenari stocastici, dove l’apprendimento avviene in presenza di rumore e incertezza: in quei casi il sistema si adatterebbe in modo probabilistico anziché deterministico, migliorando robustezza e flessibilità in ambienti complessi.
E poi c’è la questione delle applicazioni pratiche, forse la parte più stimolante. Tra gli scenari citati dal team ci sono i robot morbidi, quelli che sostituiscono la rigidità delle macchine convenzionali con strutture adattive, pensati per il settore medico o aerospaziale. Oppure dispositivi programmabili che si modulano in tempo reale e si “riprogrammano” a seconda della situazione.
Ma le possibilità dei metamateriali vanno ben oltre. Giocando con le particolarità strutturali, si possono impiegare come blindatura, isolamento, nelle strutture di edifici situati in zone ad alta attività sismica per reindirizzare l’energia ricevuta, nella creazione di lenti per fotonica avanzata, nei sensori o persino come camuffamento attivo attorno a un veicolo.